广义地讲,在微波波段使用的传输线,如双导线、同轴线、空心的金属波导(矩形、圆形、椭圆形和其他形状的波导管等),以及带状线、微带线和介质波导(包括光波导)等,都可以统称为波导。因为它们的作用都是导引电磁波沿着一定的方向传播,被导引的电磁波称为导行波,而把这些传输线称为导波系统,简称波导。正如在第1章引言中所指出的,导波系统也可以统称为传输线。可见,导波系统与传输线从广义的角度讲,两者的含义是一样的。
所谓规则波导,是指沿其轴线方向,横截面的形状、尺寸,以及填充介质的分布状态和电参数均不变化的无限长的直波导。当然,实际波导的长度不可能是无限的,而只能是有限的,在这里之所以称其为“无限长”,显然是一种抽象化了的物理模型,其目的在于说明本章所讨论的是:波导工作于行波状态(无反射状态)时,电磁波沿规则波导轴向的传播规律,以及电场和磁场在波导横截面上的分布规律(场分布,或称场结构、模式、模)。本章所讲的规则波导,实际上只限于空心的金属矩形和圆形波导、同轴线(同轴波导)等。至于带状线、微带线和介质波导(光纤),将在后面的有关章节中讲述。
对于空心的金属波导而言,其中传输的电磁波是TE 或TM 模,不可能是TEM 模,因此也不可能有确切的和严格的电压及电流的定义,即“路”的分析方法,就一般情况而言,已不适用于金属波导,而应采用“场”的分析方法。为了得到电磁波的场在导波系统横截面上的分布规律(场结构),以及电磁波沿传播方向的传播特性,就需要在一定的边界和初始条件下,对电磁场的波动方程求解。(www.zuozong.com)
用空心的金属管(现称波导管)传输电磁波的想法是在1887年首先由英国物理学家瑞利(J.W.Rayleih)提出来的,他在研究声波的基础上对用空心金属管传输电磁波进行了探讨。他用数学方法证明了电磁波可以在其中传输,并指出可能存在的电磁波的模式,以及它们的截止波长。但在当时这只是一个未经实验证实的推测,直到1936年美国学者索思沃思(Georgl Soythworth)和巴罗(W.L.Barron)通过实验证实了空心的金属管可以传输电磁波,从而奠定了用金属管传输电磁波的实验基础。此后,很多学者曾用多种概念和方法解释这种现象,但是,最严格、最完整的定量分析是在给定了电磁场的初始条件和边界条件的情况下,对麦克斯韦方程组求解才能得到。如今,波导管理论的研究已经相当成熟,波导管的应用已十分广泛。
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